機(jī)器人參考答案

1、0.1簡述工業(yè)機(jī)器人的定義，說明機(jī)器人的主要特征。答：機(jī)器人是一種用于移動各種材料、零件、工具、或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程動作來執(zhí)行種種任務(wù)并具有編程能力的多功能機(jī)械手。1. 機(jī)器人的動作結(jié)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能。2. 機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。3. 機(jī)器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。4. 機(jī)器人具有獨立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。0.2工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床有什么區(qū)別？答：1.機(jī)器人的運動為開式運動鏈而數(shù)控機(jī)床為閉式運動鏈；2. 工業(yè)機(jī)器人一般具有多關(guān)節(jié)，數(shù)控機(jī)床一般無關(guān)節(jié)且均為直角坐標(biāo)系統(tǒng)

2、；3. 工業(yè)機(jī)器人是用于工業(yè)中各種作業(yè)的自動化機(jī)器而數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于冷加工。4. 機(jī)器人靈活性好，數(shù)控機(jī)床靈活性差。0.5簡述下面幾個術(shù)語的含義：自有度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。答：自由度是機(jī)器人所具有的獨立坐標(biāo)運動的數(shù)目，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一確定位置準(zhǔn)確的概率，是重復(fù)同一位置的范圍，可以用各次不同位置平均值的偏差來表示。工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點的集合，也叫工作區(qū)域。工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的穩(wěn)定速度，也可以定義為手臂末端最大的合成速度（通常在技術(shù)參數(shù)中

3、加以說明）。承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。0.6什么叫冗余自由度機(jī)器人？答：從運動學(xué)的觀點看，完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機(jī)器人稱為冗余自由度機(jī)器人。3.1何謂軌跡規(guī)劃？簡述軌跡規(guī)劃的方法并說明其特點。答：機(jī)器人的軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運動過程中的運動軌跡，即運動點位移，速度和加速度。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，將其經(jīng)運動學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點 建立運動方程，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為 軌跡規(guī)劃。（1）示教一再現(xiàn)運動。這種運動由人手把手示教機(jī)器人，定時記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿路

4、徑運動時各關(guān) 節(jié)的位移時間函數(shù) q（t）;再現(xiàn)時，按內(nèi)存中記錄的各點的值產(chǎn)生序列動作。（2）關(guān)節(jié)空間運動。這種運動直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描 述，所以用這種方式求最短時間運動很方便。(3) 空間直線運動。這是一種直角空間里的運動，它便于描述空間操作，計算量小，適宜簡單的作業(yè)。(4) 空間曲線運動。這是一種在描述空間中用明確的函數(shù)表達(dá)的運動。3.2設(shè)一機(jī)器人具有 6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運動均按三次多項式規(guī)劃，要求經(jīng)過兩個中間路徑點后停在一 個目標(biāo)位置。試問欲描述該機(jī)器人關(guān)節(jié)的運動，共需要多少個獨立的三次多項式？要確定這些三次多項式，需要多少個系數(shù)？答：共需要3

5、個獨立的三次多項式；需要72個系數(shù)。3.3單連桿機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，從q = - 5 °靜止開始運動，要想在 4 s內(nèi)使該關(guān)節(jié)平滑地運動到q =+80 °的位置停止。試按下述要求確定運動軌跡：(1) 關(guān)節(jié)運動依三次多項式插值方式規(guī)劃。(2) 關(guān)節(jié)運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃。解：(1)采用三 次多項式插 值函數(shù)規(guī) 劃其運動。已 知厲-一5,6 =80 ,tf =4s，代入可 得系數(shù) 為a。- -5, a<)= 0, a? 15.94, a -2.66運動軌跡：(2) 運動按拋物線過渡的線性插值方式規(guī)劃: 根據(jù)題意，定出加速度的取值范圍：如果選- 42算出過渡時間t

6、a1ta1=r422 42 -4 42 852><42=0.594s計算過渡域終了時的關(guān)節(jié)位置va1和關(guān)節(jié)速度哥，得1 2匕(42 0.5942) =2.424.1機(jī)器人本體主要包括哪幾部分？以關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例說明機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)和主要特點。 答：機(jī)器人本體：(1)傳動部件(2)機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(3) 機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)(4)腕部(5)手部基本結(jié)構(gòu)：機(jī)座結(jié)構(gòu)、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)、大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié) 構(gòu)、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)、手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、末端執(zhí)行器。主要特點：(1) 一般可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿 系末端自由且無支承，這決定了機(jī)器人

7、的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿 系在空間位姿的變化而變化。(2)開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系， 連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關(guān)系，運動靈 活。(3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反 饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛 度、間隙和運動精度都有較高的要求。連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化 的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。4.2如何選擇機(jī)器人本體的材料，常用的機(jī)器人本體材料有哪些？答：需滿足五點基本要求：1強度大 2彈性模量大3重量輕 4阻尼小 5材料經(jīng)濟(jì)性常用材料：

8、1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼2鋁、鋁合金及其他輕合金材料3纖維增強合金4陶瓷 5纖維增強復(fù)合材料6粘彈性大阻尼材料4.3何謂材料的E/: ？為提高構(gòu)件剛度選用材料E/J大些還是小些好，為什么？答：即材料的彈性模量與密度的比值；大些好，彈性模量 E越大，變形量越小，剛度走越大；且密度越小，構(gòu)件質(zhì)量越小，則構(gòu)件的慣性力越小，剛度越大。所以E/：:大些好。44 機(jī)身設(shè)計應(yīng)注意哪些問題？答：（1）剛度和強度大，穩(wěn)定性好。（2）運動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。（3）驅(qū)動方式適宜。（4）結(jié)構(gòu)布置合理。4.5何謂升降立柱下降不卡死條件？立柱導(dǎo)套為什么要有一定的長度？解：（1）當(dāng)升降立柱的偏重力矩過大時，如果依靠自

9、重下降，立柱可能卡死在導(dǎo)套內(nèi)；當(dāng)h . 2 fL時立柱依靠自重下降就不會引起卡死現(xiàn)象。（2）要使升降立柱在導(dǎo)套內(nèi)下降自由，臂部總重量W必須大于導(dǎo)套與立柱之間的摩擦力Fm1及Fm2因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件為即式中：h為導(dǎo)套的長度（m）; f為導(dǎo)套與立柱之間的摩擦系數(shù)，f=0.0150.1, 般取較大值；L為偏重力臂（m）。4.9機(jī)器人手爪有哪些種類，各有什么特點？答：1.機(jī)械手爪：依靠傳動機(jī)構(gòu)來抓持工件；2. 磁力吸盤：通過磁場吸力抓持鐵磁類工件，要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附， 不適宜高溫條件；3. 真空式吸盤：利用真空原理來抓持工件，要求工件表面平整光滑、干

10、燥清潔，同時氣密性要好。 4.11何謂自適應(yīng)吸盤及異形吸盤？答：自適應(yīng)吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，增加了一個球關(guān)節(jié)，吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變 化。異形吸盤：真空吸盤的一種新設(shè)計，可以用于吸附雞蛋、錐頸瓶等非平整工件。4.15傳動件消隙常有哪幾種方法，各有什么特點？答：1）消隙齒輪：相嚙合的兩齒輪中有一為兩個薄齒輪的組合件，能過兩個薄齒輪的組合來消隙；2）柔性齒輪消隙：對具有彈性的柔性齒輪加一預(yù)載力來保證無側(cè)隙嚙合；3）對稱傳動消隙：一個傳動系統(tǒng)設(shè)置兩個對稱的分支傳動，并且其中有一個具有回彈能力。4）偏心機(jī)構(gòu)消隙：當(dāng)有齒輪磨損等原因造成傳動間隙增加時，利用中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整中心距。5

11、）齒廓彈性覆層消隙：齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧?，通過對相嚙合的一對齒輪加以預(yù)載，來完全消除嚙合側(cè)隙。4.16簡述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點。答：基本形式：固定軌跡式和無固定軌跡式（步行式、輪式和履帶式）固定軌跡式：機(jī)身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動，整個機(jī)器人沿絲杠縱向移 動。無固定軌跡式：在行走過程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù)接觸；前者為類人（或動物）的腿腳式，后兩者的形態(tài)為運行車式。運行車式行走機(jī)構(gòu)用得比較多，多用于 野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完善中。6.1試述機(jī)器人示教編程的過程及特點。答：過程：操作者根據(jù)機(jī)

12、器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把 這一位置、姿態(tài)所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲器保存。對機(jī)器人作業(yè)空間的各點重復(fù)以上 操作，就把整個作業(yè)過程記錄下來，再通過適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動生成整個作業(yè)過程的程序代 碼。優(yōu)點：操作簡單，易于掌握，操作者不需要具備專門知識，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便， 再現(xiàn)過程快。缺點：(1)示教相對于再現(xiàn)所需的時間較長；(2) 很難示教復(fù)雜的運動軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線；(3) 示教軌跡的重復(fù)性差；(4) 無法接受傳感器信息；(5) 難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。6.2試舉例說明MOTOMAN UP6機(jī)器人焊接作業(yè)時的示教

13、編程過程。答：S1.通過示教盒使機(jī)器人處于示教狀態(tài)；52. 創(chuàng)建新的示教程序，用軸操作鍵將機(jī)器人依次移動到準(zhǔn)備位置、可作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)開始位置、作業(yè) 結(jié)束位置等位置并輸入相應(yīng)的插補方式及相應(yīng)的操作命令；53. 示教軌跡的確認(rèn)。6.3按機(jī)器人作業(yè)水平的程度分，機(jī)器人編程語言有哪幾種？各有什么特點？答：1動作級編程語言：優(yōu)點：比較簡單，編程容易。缺點：功能有限，無法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運算，不接受浮點數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能 接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳感器開關(guān)信息；與計算機(jī)的通信能力很差。2. 對象級編程語言：(1)具有動作級編程語言的全部動作功能；(2) 有較強的感知能力；(3) 具有

14、良好的開放性；(4) 數(shù)字計算和數(shù)據(jù)處理能力強；3. 任務(wù)級編程語言：結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持。6.7機(jī)器人離線編程的特點及功能是什么？答：特點：在不接觸實際機(jī)器人及機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，在計算機(jī)上提供一個和機(jī)器 人進(jìn)行交互作用的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。功能：利用機(jī)器人圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)器人及其作業(yè)環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對 圖形的操作和控制，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。6.8 MOTOMAN UP6型機(jī)器人仿真軟件有哪些主要功能？答：編輯、仿真、檢測和示教。7.1機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用可分為哪四個方面？答：材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢驗和裝

15、配。7.3完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由哪幾個部分組成？答：機(jī)器人操作機(jī)、變位機(jī)、控制器、焊接系統(tǒng)、焊接傳感器、中央控制計算機(jī)和相應(yīng)的安 全設(shè)備等。7.4簡述變位機(jī)在焊接生產(chǎn)線或焊接柔性加工單元中的作用。答：將被焊工件旋轉(zhuǎn)(平移)到最佳的焊接位置。7.5簡述焊接機(jī)器人按用途、結(jié)構(gòu)、受控方式及驅(qū)動方法等進(jìn)行分類的情況。答：按用途：弧焊和點焊；按結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)型和非關(guān)節(jié)型按受控方式：點位控制和連續(xù)軌跡控制7.6弧焊機(jī)器人工作站按功能和復(fù)雜程度的不同可分為哪幾種。答：無變位機(jī)的普通弧焊機(jī)器人工作站；不同變位機(jī)與弧焊機(jī)器人組合的工作站；弧焊機(jī)器人與周邊設(shè)備協(xié)調(diào)運動的工作站。7.7自動搬運工作站由哪些部分組成？

16、答：組成：搬運機(jī)器人和周邊設(shè)備（工件自動識別裝置、自動啟動及自動傳輸裝置等）。7.12 機(jī)器人裝配作業(yè)的主要操作過程是什么？答：垂直向上抓起零部件，水平移動它，然后垂直放下插入。0.7題0.7圖所示為二自由度平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手，圖中L1=2L2，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍是0°< 0,-90 °< 0 2< 180° ,畫出該機(jī)械手的工作范圍（畫圖時可以設(shè)L2=3cm)。1.1 點矢量v為1，相對參考系作如下齊次坐標(biāo)變換:A=寫出變換后點矢量v的表達(dá)式，并說明是什么性質(zhì)的變換，寫出旋轉(zhuǎn)算子Rot及平移算子Trans。解：v，=Av=10.009.6620

17、.0019.3230.0039-1 一1 一13屬于復(fù)合變換:旋轉(zhuǎn)算子Rot（Z,）=- L2- L 3-! d2平移算子 Trans(11.0,-3.0,9.0) =11.0 3.09.01.2有一旋轉(zhuǎn)變換，先繞固定坐標(biāo)系Z0軸轉(zhuǎn),再繞其X0軸轉(zhuǎn)，最后繞其丫。軸轉(zhuǎn)試求該齊次坐標(biāo)變換矩陣。坐標(biāo)變換矩陣R=Rot(Y ,)Rot(X ,)_ 0.500.8660【100010.707-0.707001010000.866-0.500.7070.70700-0.86600.5000.50.866000100001 一衛(wèi)001 一0001 一齊Rot(Z ,)"0.660-0.0470.7

18、50010.6120.612-0.501-0.436-0.4360.4330.0001 一1.3 坐標(biāo)系B起初與固定坐標(biāo)系0相重合，現(xiàn)坐標(biāo)系B繞Zb旋轉(zhuǎn),然后繞旋轉(zhuǎn)后的動坐標(biāo)系的Xb軸旋轉(zhuǎn)B的起始矩陣表達(dá)式和最后矩陣表達(dá)式。100010100B=O=00100001 一，試寫出該坐標(biāo)系解：起始矩陣:最后矩陣：B'=Rot（Z，）B Rot（ X，0.866-0.353000.50.612-0.6120)=00.7070.7070.00011.0000.0000.0000.0r a0.0000.866-0.50010.0A-0.0000.5000.866-20.00001 一-0.866

19、-0.5000.000-3.01B=0.4330.750-0.500-3.0B-0.2500.4330.8663.0_ 0001 一1.4 坐標(biāo)系A(chǔ)及B在固定坐標(biāo)系0中的矩陣表達(dá)式為畫出它們在0坐標(biāo)系中的位置和姿勢；A=Trans（ 0.0，10.0，-20.0）Rot（X，）0B=Trans(-3.0, -3.0, 3.0) Rot(X ,) Rot (Z,) O1.5A寫出齊次變換陣B H，它表示坐標(biāo)系B連續(xù)相對固定坐標(biāo)系A(chǔ)作以下變換:(1)繞Za軸旋轉(zhuǎn)。(2)繞X A軸旋轉(zhuǎn)-。(3)BH =Tra nsRotRot3170001.6寫出齊次變換矩陣BBH(1)移動3 7 9T。(2)繞X

20、b軸旋轉(zhuǎn)-1，它表示坐標(biāo)系010307B連續(xù)相對自身運動坐標(biāo)系BB H =Trans( 3，乙9) Rot( X，）Rot（乙10 0 310 0 01"0 10 00 10 700-10-10 0 00 0 1901 0 00 0 10b 0 0 1 一00 0 1 一0 0 0 1 一繞Zb軸轉(zhuǎn)-。(3)=001010307010-1317-101.7對于1.7圖（a）后的狀態(tài)如題1.7圖（b）所示。所示的兩個楔形物體,-10 -00B作以下變換:-1試用兩個變換序列分別表示兩個楔形物體的變換過程,(b)使最317)Trans ( 0 ,-4 ,0 ) A=1-1-111-100

21、4 4 001000 0 2 2111111-10叩00叩00010000010010-40100-1000010001 一0001 一0001)Rot ( X0 2 00 0 11 0 100 0Ro-51 o o o-o o-1- HIo0100010-5-10000010.0001 一.0001 一000100001o-o 1-o-15 0 1-o 1_1-1-111-111-1-1 11-1004400559955解：A=000022B=000022-111111 _I111111 一A'=Trans(2 ,0 ,0 ) Rot ( Z ,1 00 10 00 010000044001-1-111-10-104000022440044001一111111 一1111111 一1.8如題1.8圖所示的二自由度平面機(jī)械手，關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)變量為0 1;關(guān)節(jié)2為移動關(guān)節(jié),節(jié)變量為d2。試：解：建立如圖010306090d 2/m0.500.801.000.70(1)建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并寫出該機(jī)械手的運動方程式。(2)按下列關(guān)節(jié)變量參數(shù)求出手部中心的位置值。所示的坐標(biāo)系參數(shù)和關(guān)節(jié)變量連桿0aad10 1000200d20機(jī)械手的運動方程式:當(dāng) B 1=0 , d2=0.5 時:手部中心位置值0B =Io01000 0.50 00 00 1當(dāng)